Файл: Программа курса, лабораторный практикум и контрольные задания для студентовзаочников полной и.pdf

17 ковых и органических наполнителей на свойства резины, изучите физико- механические свойства и области применения резин различных марок.
В о п р о с ы д л я с а м о п р о в е р к и
1. Что представляет собой резина? Какие компоненты относятся к совме- щающимся и как они влияют на ее свойства? 2. Объясните роль порошковых наполнителей. 3. В каких случаях применяются волокнистые наполнители?
Неорганические материалы
Поскольку большинство таких материалов содержит различные соедине- ния Si с другими элементами, эти материалы получили общее название сили- катных материалов. Обратите внимание на внутреннее строение неорганиче- ского стекла. Уясните сущность стеклообразного состояния как разновидности аморфного состояния вещества. Разберитесь в изменении свойств стекла в за- висимости от состава. Рассмотрите стеклокристаллические материалы (ситал- лы) и их отличие от стекла минерального. Уясните причины образования кри- сталлической структуры ситаллов. При изучении керамических материалов обратите внимание на отличие технической керамики от обычной, разбери- тесь с их химическим и фазовым составах свойствах и области применения.
В о п р о с ы д л я с а м о п р о в е р к и
1. Какие силикатные материалы относятся к минеральному стеклу? Их отличи- тельные свойства. 2. Как достигаются электроизоляционные или электропрово- дящие свойства стекла? 3. Объясните причины, вызывающие кристаллизацию ситаллов (стеклокристаллитов). Укажите область их применения. 4. В чем отличие технической керамики от обычной? Укажите область ее применения.
Древесные материалы
Ознакомьтесь со строением древесины, ее достоинствами и недостатками как конструкционного материала. Изучите основные методы повышения качества древесины, а также способы получения древесно-слоистых мате- риалов (шпона, фанеры) и древесностружечных плит и т.п. Выясните воз- можности применения древесного материала в различных отраслях.
В о п р о с ы д л я с а м о п р о в е р к и
1. Укажите основные достоинства и недостатки древесины как конст- рукционного материала. 2. Перечислите способы повышения качества древесины. 3. Каким способом получают древеснослоистый материал? 4.
Как изготовляют древесностружечные плиты и где их применяют?

18
ЧАСТЬ III. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ
МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
Проследите зависимость стоимости углеродистых сталей от их каче- ства и способов выплавки. Сопоставьте стоимость серых, ковких и высо- копрочных чугунов и различных сталей в зависимости от степени легиро- вания. Проведите анализ факторов, влияющих на себестоимость ТО и
ХТО. Разберитесь в методике расчета экономической эффективности при- менения упрочняющих процессов с учетом долговечности деталей в экс- плуатации. Обоснуйте области применения изученных материалов.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
ДИАГРАММА СОСТОЯНИЙ ЖЕЛЕЗО-УГЛЕРОД. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА
УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ И ЧУГУНОВ
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1.1. Изучить диаграмму состояний железо-углерод.
1.2. Изучить микроструктуры углеродистых сталей в равновесном
(отожженном) состоянии. Установить зависимость между структурами и механическими свойствами углеродистых сталей.
1.3. Изучить микроструктуры белых, серых, высокопрочных и ковких чугунов. Установить зависимость между составом, условиями получения, структурами и механическими свойствами чугунов.
2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
2.1. Ознакомиться с диаграммой состояний железо-углерод.
2.2. Ознакомиться с построением кривых охлаждения отдельных сплавов системы железо-углерод.
2.3. Ознакомиться с зависимостью механических свойств углероди- стых сталей от содержания углерода.
2.4. Изучить и зарисовать микроструктуры углеродистых сталей и чу- гунов. Обозначить названия структурных составляющих.
2.5. Оформить отчет к лабораторной работе.
3. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
3.1. Компоненты и фазы в сплавах железа с углеродом
Железо – металл серебристо-белого цвета. Температура плавления 1539
°С. Атомный номер 26, атомный радиус 0,127 нм. Технические сорта железа содержат 99,8 – 99,9 % Fe. Железо имеет две полиморфные модификации α и
γ. Модификация α существует при температурах ниже 911 °С и выше 1392 °С.
Кристаллическая решетка α-железа – объемно центрированный куб (ОЦК) с периодом решетки 0,286 нм. Для интервала 1392 – 1539 °С α-железо нередко обозначают как δ-железо с периодом решетки 0,29 нм. Плотность α-железа

19 7,68 Мг/м3. Вторая модификация γ-железо (Feγ) существует при темпера- туре 911 – 1392 °С. Кристаллическая решетка – гранецентрированная ку- бическая (ГЦК) с периодом 0,365 нм. Механические свойства железа тех- нической чистоты: ζ
b
= 250 МПа, ζ
т
= = 120 МПа, δ = 50 %, НВ = 800 МПа.
Углерод – неметаллический элемент II периода IV группы периодиче- ской системы, атомный номер 6, плотность 2,5 Мг/м
3
, температура плавления
3500 °С, атомный радиус 0,077 нм. В обычных условиях углерод находится в виде модификации графита, но может существовать в виде алмаза и угля.
В системе железо-углерод различают следующие фазы: жидкий расплав, твердые растворы – α-феррит, δ-феррит и аустенит, а также цементит и графит.
Феррит (Ф) – твердый раствор углерода и других примесей в ОЦК- железе. Атом углерода располагается в решетке феррита в центре грани куба, где помещается сфера радиусом 0,031 нм. Предельная растворимость углерода в α-феррите 0,02 % при температуре 727 о
С и менее 0,01 % при комнатной температуре, растворимость в δ-феррите – 0,1 %. Под микро- скопом феррит выявляется в виде полиэдрических зерен. Твердость и прочность феррита невысоки (ζ
b
= 250 МПа, НВ = 800 МПа).
Аустенит(А) – твердый раствор углерода и других примесей в γ-железе.
Предельная растворимость углерода в γ-железе – 2,14 % при температуре 1147 о
С и 0,8 % при 727 о
С. Атом углерода располагается в центре куба, в котором мо- жет разместиться сфера радиусом 0,051 нм, и в дефектных областях кристалла.
Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом – кар- бид железа Fe
3
C, содержащий 6,67 % С. Цементит имеет сложную ромби- ческую решетку с плотной упаковкой атомов. Температура плавления це- ментита точно не определена (около 1260 °С). К характерным особенностям цементита относятся высокая твердость (НВ – 8000 МПа) и очень малая пластичность (δ около 0 %).
Графит (Гр) имеет гексагональную слоистую кристаллическую ре- шетку. Межатомные расстояния в слоях небольшие (0,142 нм). Графит мя- гок, обладает низкой прочностью.
3.2. Диаграмма состояний железо-углерод
Наличие двух высокоуглеродистых фаз (графита и цементита) приво- дит к появлению двух диаграмм состояний: метастабильной – железо-
цементит и стабильной – железо-графит. Свободная энергия цементита всегда больше, чем свободная энергия графита. Кристаллические структу- ры цементита и аустенита близки, а аустенита и графита существенно раз- личны. По составу аустенит, цементит и жидкая фаза ближе друг к другу,

20 чем аустенит и графит (аустенит содержит до 2,14 % С, цементит – 6,67 %
С, графит – 100 % C. Поэтому образование цементита из жидкости или из аустенита происходит легче, работа образования зародыша, и необходи- мые диффузионные изменения, меньше при кристаллизации цементита, чем графита несмотря на меньший выигрыш свободной энергии.
Диаграмма состояний железо-цементит приведена на рис. 1.1. Линии диа- граммы: АВСВD (линия ликвидус соответствует температурам начала кри- сталлизации) и AHJECF (линия солидус соответствует температурам конца кристаллизации) характеризуют начало и конец первичной кристаллизации, происходящей при затвердевании жидкой фазы. Линии ES и PQ показывают предельную растворимость углерода соответственно в аустените и феррите.
При понижении температуры растворимость уменьшается и избыток углерода выделяется в виде растворимость уменьшается и избыток углерода выделяется в виде цементита. Цементит, выделяющийся из жидкого сплава, принято называть первичным, из аустенита – вторичным, из феррита – третичным.
Три горизонтальные линии HJВ, ЕСF и PSK указывают на протекание трех превращений при постоянной температуре. При 1499
о
С (горизонталь
HJВ) происходит перитектическая реакция L
B
+ Ф
Н

А
J
, в результате ко- торой образуется аустенит. При 1147 о
С (горизонталь ЕСF) протекает эв- тектическая реакция L
С

А
С
+ Ц (жидкость, состав которой соответствует точке С, превращается в эвтектическую смесь аустенита, состав которого соответствует точке Е, и цементита. Эта эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебурит. При температуре 727 о
С (горизонталь
PSK) протекает эвтектоидная реакция A → Ф
Р
+Ц(в отличие от эвтектики, образующейся из жидкости, эвтектоидная смесь получается в результате распада твердого раствора). Продукт превращения – эвтектоидная смесь феррита и цементита, называемая перлитом. Перлит чаще имеет пластин- чатое строение, то есть состоит из чередующихся пластинок феррита и це- ментита. После специальной термической обработки перлит может иметь зернистое строение. Однофазные области диаграммы Fе-Fe
3
C: жидкий рас- плав (L) – выше линии АВСD, феррит (Ф) – области ANH и GPQ, аустенит
(А) – область JESGN и цементит (Ц) – при содержании 6,67 % С. Двухфаз- ные области диаграммы: AHB – в равновесии находится жидкий расплав и кристаллы δ-феррита, NHJ –в равновесии кристаллы δ-феррита и аустенита,
JECB – в равновесии жидкий расплав и кристаллы аустенита, CDF – в рав- новесии жидкий расплав и кристаллы цементита, SECFK – в равновесии

21 кристаллы аустенита и цементита, GSP –вравновесии кристаллы аустенита и α-феррита, QPSKL – в равновесии кристаллы α-феррита и цементита.
Сплавы железа с углеродом, содержащие до 0,02 % С, называют тех-
ническим железом. Сплавы железа с углеродом при содержании углерода от
0,02 до 2,14 % носят название сталей (от 0,02 до 0,8 % – доэвтектоидные
стали, от 0,8 до 2,14 % – заэвтектоидные стали). Сплавы железа с углеро- дом, содержащие от 2,14 до 6,67 % С, называются чугунами (от 2,14 до 4,3 %
С – доэвтектические, от 4,3 до 6,67 % С – заэвтектические чугуны).

Рис. 1.1. Диаграмма состояний железо-цементит (Fe - Fe
3
C)

23
В двухфазных областях в любой точке можно определить количество фаз и их концентрацию, используя правило отрезков. Например, опреде- лим химический состав и количество фаз для сплава системы железо-
цементит в точке а, находящейся в области GSP (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Использование правила отрезков для ана- лиза диаграммы
В этой области структурные составляющие – феррит и аустенит. Про- ведем горизонтальную линию через точку а до пересечения с линиями GP
(точка b) и GS (точка с). Проекция точки b (b
/
) указывает химический состав феррита, а проекция точки с (с
/
) – состав аустенита. Весовое содержание ау- стенита
%,
100


bc
ba
Q
A
а феррита
%.
100


bc
ac
Q
Ф
Рассмотрим кристаллиза- цию некоторых сплавов, содержащих различное количество углерода. При анализе кристаллизации доэвтектоидной стали проведем для примера рас- чет числа степеней свободы по формуле с = k – f +1, где с – число степеней свободы, k – количество компонентов, f – число фаз.
Кристаллизация доэвтектоидной стали, содержащей более 0,51 % С
(рис. 1.3), начинается в точке 1, где в жидкой фазе зарождаются первые зерна аустенита, и заканчивается в точке 2. В процессе кристаллизации состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус BС, а аустенита по линии соли- дус JE. Между точками 1 и 2 число степеней свободы с = 2 – 2 + 1 = 1 (два компонента – железо и углерод, две фазы – жидкость и аустенит), следова- тельно, процесс может идти со снижением температуры. После затвердева- ния сплав имеет однофазную структуру аустенита. Между точками 2 и 3 идет охлаждение аустенита. Между точками 2 и 3 число степеней свободы с
= 2 – 1 + 1 = 2 (два компонента – железо и углерод, одна фаза – аустенит), следовательно, процесс может идти со снижением температуры. В интервале от точки 3 до точки 4 происходит превращение: аустенит

низкоуглероди- стый феррит. При этом аустенит обогащается углеродом в соответствии с линией GS и в точке 4 концентрация углерода в нем достигает эвтектоидной
– 0,8 % С. Между точками 3 и 4 число степеней свободы с = 2 – 2 + 1 = 1 (два компонента – железо и углерод, две фазы – аустенит и цементит), следова-